Кремний, такты, два ядра — погружаемся в недра компьютерного мозга.
Для чего нужен процессор
Основное назначение процессора — это обработка машинного кода, из которого состоят программы. Сами программы — это последовательные команды, которые пользователь даёт компьютеру. Запустить браузер, найти результат выражения во встроенном калькуляторе и скопировать его в текстовый документ — всё это делает процессор компьютера.
Центральный процессор — небольшое, но очень сложное устройство для обработки информации
Фото: freepik / Freepik
Основные функции центрального процессора:
- Выполнение инструкций. Программы отправляют процессору машинные инструкции в виде двоичного кода, которые он интерпретирует и выполняет на аппаратном уровне.
- Управление памятью. ЦП обращается к оперативной памяти, записывает информацию в постоянную память или берёт данные из собственной кэш-памяти.
- Обработка данных. Вместе с программными инструкциями поступают данные, которые надо обработать и вернуть результат.
- Управление системой. CPU связывает между собой работу жёстких дисков, видеокарты, оперативной памяти и других компонентов.
Из чего состоит процессор
Рассмотрим, как производят процессоры и какие компоненты в них используются.
Как изготавливают процессоры
CPU — это тонкая кремниевая пластинка с миллиардами напаянных на неё транзисторов. Именно транзисторы выполняют все вычисления. Изготовление процессора — сложный процесс. Если упростить, то этапы работы над ним будут выглядеть так:
- Песок (диоксида кремния, SiO₂) превращают в поликристаллический кремний высокой чистоты.
- Его плавят, чтобы получить кремниевый стержень.
- Стержень нарезают на идеально гладкие пластины толщиной до 1 миллиметра.
- Методом литографии в несколько этапов на пластины наносят миллиарды транзисторов.
- Пластины нарезают на кристаллы, каждый из которых представляет собой самостоятельный чип.
- Кристаллы упаковывают в корпуса с термоинтерфейсом для отвода тепла.
- Полученные процессоры тестируют, маркируют и выпускают в продажу.
Звучит вроде бы несложно, однако за каждым из этих этапов стоит высокотехнологичное производство. Например, чтобы получить чистый кремний, нужно провести не менее трёх этапов химической очистки, в процессе которой материал нагревают до 1900 градусов по Цельсию.
Кремниевая пластина с нанесёнными транзисторами
Кадр: Electronic Goldmine / YouTube
Литография — отдельный сложный этап. Сейчас размеры транзисторов измеряются в нанометрах, а это миллиардная доля метра. Если в процессе нанесения транзисторов на пластину попадёт пылинка — могут забраковать всю «кремниевую вафлю». В цехах постоянно фильтруют воздух, рабочим запрещено использовать духи и косметику, ходить можно только в специальных костюмах, а сами заводы стоят на сейсмических подушках, чтобы колебания грунта не влияли на точность литографии.
Устройство процессора
Теперь мы знаем, из чего и как делают процессоры, а значит, пришло время заглянуть внутрь самого устройства. Если скальпировать ЦП, то есть снять верхнюю крышку термоинтерфейса, то можно увидеть кристалл в ещё одном защитном корпусе.
Процесс скальпирования российского процессора Baikal-S (BE-S1000)
Фото: Fritzchens Fritz / Flickr
Счищаем защиту и графит с подложки и видим постепенно проступающую топологию блоков процессора.
Процесс скальпирования российского процессора Baikal-S (BE-S1000)
Фото: Fritzchens Fritz / Flickr
Если же удалить все защитные слои полностью, то можно увидеть вот такую красоту. Это и есть кристалл CPU с нанесёнными на него полупроводниками.
Очищенный кристалл российского процессора Baikal-S (BE-S1000)
Фото: Fritzchens Fritz / Flickr
А вот как выглядит вытравленный кристалл процессора Intel Core i5-12400F, выпущенный в том же году, что и Baikal-S 2022.
Вытравленный кристалл процессора Intel Core i5-12400F с архитектурой Alder Lake и шестью производительными ядрами
Фотография: Fritzchens Fritz / Flickr
Что внутри кристалла
В кристалле процессора можно выделить три основные части: ядро, запоминающее устройство и шины.
Суперпроцессор Cerebras Wafer Scale Engine с 400 тысячами ядер
Кадр: TechTechPotato / YouTube
Устройство ядра центрального процессора
Изображение: Поисов Дмитрий / «Всё о Hi-Tech»
Основные характеристики процессора
Производительность процессора определяется двумя основными параметрами: тактовой частотой и разрядностью.
Также характеристики процессора определяются такими параметрами:
- CISC (complex instruction set computer — «компьютер с полным набором команд») — архитектура, которая использует сложные и многофункциональные команды. Процессоры с CISC-архитектурой могут выполнять сложные команды за несколько тактов, поэтому их можно не разделять на более компактные команды.
- RISC (reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура с минимальным набором простых команд. Размер команд подбирается так, чтобы их можно было выполнять за один такт. Обычно RISC-архитектуру используют в устройствах с низким энергопотреблением.
- VLIW (very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура, в которой за один такт выполняется несколько операций, объединённых в длинную команду.
- MISC (minimal instruction set computer — «компьютер с минимальным набором команд») — архитектура с минимально возможным набором простых команд. Такие CPU часто используют в IoT-устройствах.
Все эти архитектуры относятся к неймановскому типу — программа и данные хранятся в оперативной памяти, и ЦП загружает их поочерёдно. Существует также гарвардская архитектура, у которой программный код и данные хранятся в разных типах памяти. Её чаще всего используют во встраиваемых системах: бытовой технике, системах сигнализации и медицинских приборах.
Как работает процессор
Если не закапываться в инженерные глубины процессов, то цикл работы CPU выглядит так:
Описанный выше цикл называется процессом. Он повторяется по кругу, а скорость перехода от одного цикла к другому определяется тактовой частотой.
Цикл работы процессора
Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media
Виды процессоров
Рассмотрим распространённые виды процессоров, которые чаще всего используют в гаджетах.
По типу выполняемых задач процессоры делятся на:
- Графические процессоры (GPU) — ориентированы на работу со сложной графикой, 3D-визуализацией и поддержкой значительного количества потоков, что делает их идеальным решением для игр и графических приложений.
- Центральные процессоры (CPU) — предназначены для выполнения всех основных вычислительных операций, контроля и координации работы других устройств и систем компьютера, а также обработки данных из памяти и отправки их обратно или на устройство вывода.
По типу крепления на материнской плате процессоры бывают:
- Распаянные — их невозможно снять с платы без паяльника. Если надо будет заменить такой процессор, то придётся повозиться.
- Разъёмные — устанавливаются в специальный разъём — сокет. Такие процессоры можно быстро заменять без специального оборудования.
Материнская плата с распаянным на ней процессором «Эльбрус-8С»
Кадр: Максим Горшенин / YouTube
Что запомнить
- Процессор — главный компонент компьютера и других гаджетов, который отвечает за все основные вычисления и связывает другие системы между собой.
- Тактовая частота ЦП показывает, сколько операций он может выполнить за одну секунду.
- В современных компьютерах обычно используются 64-битные процессоры. Это значит, что за один такт они могут обработать 64 бита данных.
- CPU изготавливают из кремниевых пластин, на которые с помощью литографии крепят транзисторы. Это очень сложное и дорогое производство.
- По типу выполнения задач процессоры делятся на графические и центральные. Первые отвечают за обработку графики, а вторые — выполняют все основные вычислительные операции.
Кремниевая вафля — тонкая пластина из монокристаллического кремния, на которую наносят транзисторы.
Прерывания процессора — сигналы, которые приостанавливают выполнение текущей программы, чтобы процессор мог быстро обработать важное событие, например сообщение об ошибке или сигнал от клавиатуры.
Стек процессора — специальная область памяти, в которой временно хранятся данные, например переменные и результаты вычислений.